第九章习题答案.pdf

第九章习题答案 9 1 以应用为中心 以计算机技术为基础 软 硬件可裁剪 适应应用系统对功 能 可靠性 成本 体积 功耗等严格要求的专用计算机系统 通常 从以下几个方面来理解嵌入式系统的定义 1 以应用为中心是指嵌入式系统是面向用户 面向产品 面向应用的 这从 当今五花八门 庞杂的嵌入式系统的应用中可以看得出来 必须与具体应用相 结合 嵌入式系统才具有强大的生命力 也才显示出强大的优势 从这个意义 上说 嵌入式系统对每一个具体的应用都具有很强的专用性 必须根据实际系 统的需求进行针对性的设计 2 嵌入式系统以计算机技术为基础 是计算机技术 通信技术 半导体技术 微电子技术 语音图象数据传输技术 甚至传感器等先进技术和Internet网络技 术与具体应用对象相结合后的产物 这一点就决定了它必然是一个技术密集 资金密集 高度分散 不断创新的知识集成系统 3 嵌入式系统可以根据实际系统的需要对软 硬件进行剪裁以适应实际系统 在功能 可靠性 成本 体积 功耗等方面的要求 说明嵌入式系统存在着一 个较为通用的软 硬件内核 这个内核往往是几kB到几十kB之间的微内核 正 是由于微内核的存在 才使得嵌入式系统能够根据实际应用系统的需要在软 硬件方面得以顺利的裁剪或扩充 第九章习题答案 9 2 与应用了传统的通用计算机的数字产品相比 嵌入式系统有如下特 点 1 系统内核小 由于嵌入式系统采用的是微处理器 实现相对单一 的功能 采用独立的操作系统 所以往往不需要大量的外围器件 系 统内核包括软件和硬件都要小得多 而在体积上 功耗上也有其自身 的优势 2 系统精简 嵌入式系统是将计算机技术 半导体技术和电子技术 与各个行业的具体应用相结合后的产物 是一门综合技术学科 由于 空间和各种资源相对不足 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地 设计 量体裁衣 去除冗余 力争在同样的硅片面积上实现更高的性 能 这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力 3 高实时性和高可靠性 为了提高执行速度和系统可靠性 嵌入式 系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中 而不是存储 于磁盘等载体中 第九章习题答案 4 智能化和网络化 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求 面向21 世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口 针对外部联网要 求 嵌入设备必需配有通信接口 相应需要TCP IP协议簇软件支持 由于家用 电器相互关联 如防盗报警 灯光能源控制 影视设备和信息终端交换信息 及 实验现场仪器的协调工作等要求 新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394 USB CAN Bluetooth或IrDA通信接口 同时也需要提供相应的通信组网协议软件和 物理层驱动软件 为了支持应用软件的特定编程模式 如Web或无线Web编程模 式 还需要相应的浏览器 如HTML WML等 5 专用性强 嵌入式系统是一个软硬件高度结合的产物 个性化很强 一 般要针对硬件进行系统的移植 针对不同的任务 往往需要对系统进行较大更 改 嵌入式系统往往和具体应用有机地结合在一起 它的升级换代也是和具体 产品同步进行 因此嵌入式系统产品一旦进入市场 具有较长的生命周期 6 需要有专用的开发工具和环境 由于嵌入式系统不具备自主开发能力 设计完成后 用户不能对其中的程序进行调试和修改 因此有一套专用的开发 工具和环境 如在单片机系统设计中用于系统调试的开发系统等 这些工具和 环境一般是基于通用计算机上的软 硬件设备及各种逻辑议 示波器等 开发 工具用于设计和调试系统 调试后的嵌入式系统在程序经过固化后 要脱离开 发工具独立运行 即脱机运行 9 3 从前面所作的定义 结构和特点可以看出 嵌入式系统由硬件和软件组成 对嵌入式系统的分类 也从硬件和软件两个不同的方面进行 硬件 从硬件的表现形式方面来看 嵌入式系统可以分为 芯片级嵌入 含程序或算法的嵌入式处理器 模板级嵌入 系统中的某个核心模块 系统级嵌入 完整工作着的嵌入式应用系统 软件 从结构上来看 嵌入式系统的软件是由嵌入式操作系统和应用程序两部分构 成的 应用系统运行于操作系统之上 两者之间是紧密结合的 在一些功能比 较单一嵌入式应用中 甚至达到密不可分的程度 根据实时性要求 通常可将嵌入式操作系统分为两大类 实时嵌入式操作系 统和非实时嵌入式操作系统 第九章习题答案 第九章习题答案 9 4 实时嵌入式操作系统是指能在确定的时间内执行其功能 并对外部 的异步事件做出响应的嵌入式操作系统 其操作的正确性不仅依赖于逻 辑设计的正确程度 而且与这些操作进行的时间有关 实时系统又分为硬实时系统和软实时系统 在实时系统中 如果系 统在指定的时间内未能实现某个确定的任务 则会引起系统崩溃或导致 致命错误 则该系统称为硬实时系统 非实时嵌入式操作系统在软件执行时间上要求并不严格 时间上的 延迟不会对系统造成灾难性的后果 这意味着非实时嵌入式操作系统更 侧重于功能实现的完整性和正确性 例如 掌上电脑和各类电子记事工 具 更多的是对应用功能的追求 第九章习题答案 9 5 目前 嵌入式计算机系统已经广泛的应用到工业 农业 交通 能源 通 信 科研 医疗卫生 国防以及日常生活等领域 并发挥着极其重要的作用 将嵌入式系统的应用按照市场领域划分 可以有 军事国防领域 武器控制 从火炮控制高炮指挥仪到导弹控制 弹上计算 机 从坦克 轰炸机 舰艇 雷达 电子对抗等军事电子装备到军事通信及 军事指挥系统 野战指挥作战用各种专用设备等 控制系统和工业自动化 典型的信号检测 过程控制单元 智能仪器仪表 智能执行机构 数控机床 电力系统 电网安全 电网设备监测 卫星通信系 统中的遥测遥控单元 汽车的燃料注入控制 牵引控制 灯光控制和ABS防死 锁刹车控制 机电一体化工程机械及农业机械 机车 民航及船舶电子设备等 办公自动化及消费类电子产品 各类激光打印机 传真机 扫描仪 复印 机 LCD液晶显示投影仪 录相机 VCD DVD 手机 呼机 可视电话 掌上电脑 个人数字助理 PDA MP3 数码相机 视频游戏播放机 数码 手表 带全球定位系统GPS 智能玩具及智能防火防盗设备等 另外还有公 共电话卡发行系统 自动售货机系统等商用嵌入式设备 第九章习题答案 医疗电子设备 生物医学系统中的X光机的控制部件 结肠镜 内窥镜等诊 断设备 各种智能化的电子理疗仪器 超声诊断仪 计算机断层成像系统 心 脏起博器 监护仪 辅助诊断系统 专家系统等等 数据通信领域 调制解调器 数据通信基础设施中的网卡和路由器 IP电话 协议转换器 加密系统 基于web的远程监控 远程接入服务器 无线通信 电信中的GPS等 机器人领域 嵌入式芯片的发展使机器人在微型化 智能化方面的优势更加 明显 同时会降低机器人的价格 使其在工业 服务及医疗等领域获得更加广 泛的应用 家用电器 电视机机顶盒 可视化 智能化和网络化的新型洗衣机 电冰箱 等家用电器等 家电行业是嵌入式系统应用的一个很大的领域 随着人民生活 水平日益提高 家用电器的智能化程度也会愈来愈高 嵌入式系统应用的水平 也会愈来愈高 农业及环境监测领域 智能灌溉系统 智能温室大棚 作物生产管理自动化 农机管理产品加工自动化 水文资料实时监测 水土质量监测 防洪体系 堤 坝安全 地震监测网 实时气象监测网 水源和空气污染监测等等 除了上面提到的应用领域 嵌入式系统还有其他方面的应用 第九章习题答案 9 6 近年来 嵌入式系统的设计和生产走了一条 模块化 可配置模 块 多硅片连接模块 单硅片片上系统 SoC 的进化道路 嵌入式系统的发展趋势体现在以下几个方面 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 联网成为必然趋势 支持小型电子设备实现小尺寸 微功耗和低成本 提供精巧的多媒体人机界面 总之 嵌入式系统的发展趋势是向着经济性 成本 微型化 封装 功耗 智能化 功能 速度 和网络化 信息交换 方向发展 9 7 9 10 略 第九章习题答案 9 11 Internet 网络 执行器 受控对象 传感器 远程控制器 远程遥控制器结构 广义受控对象 输入寄存器序列输出寄存器序列 决策传输反馈传输 第九章习题答案 9 12 计算机网络具有以下的特点及功能 数据信息的快速传输和处理 以实现实时管理和实时监控 可共享计算机系统资源 这些资源不仅包含硬件设备 也包含软件和数据 资源共享使得网络中分散的资源能够互通有无 分工协作 提高了资源的利用 率 从而提高了人们的工作效率 提高了计算机的可靠性 在单机使用的情况下 一台计算机有故障便会使 工作陷于瘫痪状态 若计算机连成网络后 当一台计算机发生故障时 可由其 他的计算机代为处理 能均衡负载 互相协作 当网络中某一计算机的计算任务很重时 可通过 网络将某些任务传给空闲的计算机处理 不少的计算机网络具有这种功能 使 整个网络资源能互相协作 能进行分布处理 在计算机网络中 可根据具体要求选择网内最合适的资 源来处理 计算机网络的智能化 提高了网络的性能和综合的多功能服务 并能更加 合理地进行应用 以提高综合信息服务的水平 可以提供数字 语音 图形图 像等多种信息的传输 将整个世界变成了地球村 第九章习题答案 9 13 明确系统性能指标 网络用户界面设计 对网络时延的补偿控制问题 多用户登陆问题 网络安全问题 第九章习题答案 9 14 一般由四部分组成 分为 远程控制器中作控制决策所需的时间延迟 控制命令从远程控制器到本地控制器的传输时间延迟 本地控制器执行控制命令的时间延迟 本地控制器中的数据信息返回到远程控制器去的传输时 间延迟 第九章习题答案 9 15 控制器参数调整策略是应用于网络控制的远程端的一种控制策略 如图 所示 这种策略对由于网络所产生的时延具有不敏感性 只是用于调整受控 系统的设定值和本地控制器的控制器参数 如PID控制器参数等 对被控对 象的具体的控制行为通过本地控制器完成 控制器参数调整策略示意图 因为本地控制器通过容错控制设计可以在本地构成容错控制系统 同时由